動能攔截彈

地基攔截彈（GBI）是地基中段防禦（GMD）系統的“武器”部分，是一種先進的動能殺傷防禦武器，其任務是在地球大氣層外攔截來襲的彈道導彈彈頭並利用“直接碰撞”技術將其摧毀，即在大氣層外（100km以上的高度）攔截來襲導彈。在GBI飛行過程中，作戰管理指控系統通過飛行中攔截彈通信系統向其發送信息，修正來襲彈道導彈的方位信息，使得GBI彈上探測器系統能夠識別指定的目標並進行尋的。

GBI有兩種型號，一種是部署在美國本土的三級動能攔截彈，另一種是計劃部署在歐洲的兩級動能攔截彈。

1. 美國本土部署的三級GBI

美國本土部署的GBI包括一個外大氣層殺傷飛行器（EKV，以碰撞方式摧毀彈頭）、三級固體助推火箭以及發射攔截彈所需的地面指揮和發射設備。波音北美公司和休斯公司（現已併入雷神公司）設計的EKV分別於1997年和1998年進行了試驗。1998年11月，選中雷神公司的EKV。但波音北美公司繼續研製EKV，作為主要的備選方案。EKV本身是一個能夠自主作戰的高速飛行器，由紅外導引頭、制導裝置、姿軌控推進系統和通信設備等組成。雷神公司的EKV重64kg，長約1.4m，直徑0.6m。它採用慣性測量裝置制導，依靠激光起爆系統執行各種指令，如在攔截彈助推段打開閥門和點燃點火器等。其導引頭採用了一種三鏡面不散光望遠鏡系統，將成像聚集到一個由兩個波束分離器和三個256×256焦面陣組成的光學試驗枱組件上。為了保證冗餘度，每個焦面陣都有各自獨立的電子器件和信號處理信道，但三個信道的數據都將彙集到一個數據處理器中。據稱，當光進入第一個波束分離器後，部分能量被反射到一個硅CCD焦面陣上，部分光則通過該分離器。在通過第二個波束分離器時，部分能量被反射到碲鎘汞焦面陣。剩餘的光繼續前行，最後撞在第二個碲鎘汞焦面陣上。這樣，光通過每個光反射部件其波段依次變短，物體被三種不同的探測器成像，而且每個探測器是在同一時間看同一物體，只是帶寬不同而已。採用這種方案有很多優點：第一，消除了在不同時間由不同波段對一個物體成像所帶來的問題；第二，採用三個單獨的焦面陣，如果一個或兩個焦面陣出現故障，仍能繼續執行任務；第三，這種系統的光學部分無需致冷，碲鎘汞焦面陣的工作温度約為70K。

關於助推火箭，美國導彈防禦局（MDA）曾考慮多種方案，其中有研製新的助推火箭和改進現有“民兵”導彈的助推火箭等。1998年8月，當時的彈道導彈防禦局（BMDO）決定以商用助推火箭為GBI的助推火箭（BV）方案。其一級發動機採用阿聯特公司的GEM-40VN固體發動機（最初用於德爾它2火箭），二級和三級發動機採用考頓公司的Orbus 1A發動機。但該計劃進展並不順利，到2001年8月進行飛行試驗時，已經比原進度落後了18個月。MDA最終調整採購戰略，決定由軌道科學公司研製新的助推火箭（命名為OSC Lite），而洛馬公司接手波音公司的商用助推火箭（重新命名為BV+）的工作。軌道科學公司的助推火箭為三級火箭系統，它的很多部件來自該公司的“飛馬座”、“金牛座”和“人牛怪”火箭。

軌道科學公司已經成功進行了兩次助推火箭飛行試驗。2003年2月7日，成功完成了首次飛行試驗。該助推火箭從加利福尼亞州范登堡空軍基地發射，飛行高度達到了1800km，飛行距離達到距發射場5600km。根據飛行試驗後對所採集數據的初步分析，助推火箭的所有主要目標均已實現，包括檢驗攔截彈的設計和飛行特性、通過機載設備採集飛行數據、確認推進系統預期達到的性能指標。2003年8月16日，軌道科學公司圓滿完成第二次助推火箭發射，其試驗目的包括檢驗火箭的設計和飛行特性；確認制導、控制和推進系統的性能。

而洛馬公司的助推火箭首飛試驗推遲到了2004年1月。該公司研製的助推火箭一直受技術問題和工業事故所困擾，遠遠落後於軌道科學公司助推火箭的發展。但按照戰略，MDA支持上述兩家公司研製助推火箭，從而降低導彈防禦計劃的風險。

因此，從2004年以來進行的GMD系統飛行試驗以及所部署的地基攔截彈採用的均是軌道科學公司研製的助推器，而之前飛行試驗採用的只是一種代用的兩級助推火箭。截至2008年，美國已經部署了24枚動能攔截彈，其中21枚部署在阿拉斯加，3枚部署在加利福尼亞州的比爾空軍基地。預計到2013年左右，在美國本土部署的GBI將達到44枚左右。

2. 計劃在歐洲部署的兩級GBI

美國已經決定在歐洲部署導彈防禦設施，包括在波蘭建立攔截彈陣地，2011～2013年間部署10枚遠程地基攔截彈；將太平洋試驗靶場使用的地基X波段雷達樣機（GBR-P）改進後部署在捷克。

在歐洲部署的GBI與美國本土部署的GBI基本相同，也是由助推火箭和EKV組成；但不同的是美國本土部署的GBI採用三級助推火箭，而歐洲部署的GBI採用兩級助推火箭。兩級GBI的最大速度略低於三級GBI，約7km/s，攔截高度200km。MDA稱這種攔截彈更適於在歐洲的交戰距離和時間要求。該攔截彈地下發射井的直徑和長度比“民兵”3導彈等進攻型導彈所用的地下發射井小得多。

“標準”3（SM-3）導彈是“宙斯盾”海基導彈防禦系統採用的攔截彈。該彈包括SM-3 Block 0基本型、SM-3 Block 1型系列（1型、1A型、1B型）和Block 2型系列（2型和2A型）。美國已經部署了少量的SM-3 Block 1型攔截彈，正在研製Block 1B型以及Block 2型系列。

1. SM-3 Block 1型系列

SM-3 Block 1型系列導彈（直徑約0.35m）的關機速度在3～3.5km/s之間，具備攔截近程和中程彈道導彈的能力。

SM-3 Block 1型導彈是以大氣層內防禦使用的兩級SM-2 Block 4A導彈為基礎，改進成四級大氣層外使用的攔截導彈。SM-3導彈第一級、第二級採用了SM-2 Block 4A型導彈的發動機（MK-72助推器和MK-104雙推力火箭發動機），增加了第三級火箭發動機、一個新的頭錐和外大氣層輕型射彈（LEAP）動能彈頭。第三級火箭發動機（TSRM）的設計是以美國空軍菲利普斯實驗室“先進固體軸向級”（ASAS）計劃所開發的技術為基礎。為了提高能量管理的靈活性，TSRM現包括兩個獨立的推進劑藥柱，按照指令兩次點火。兩次脈衝工作能獨立地按照指令點火，以獲得最大的時間上的靈活性。第一個脈衝為第三級提供變軌機動，而第二個脈衝能用於修正相對位置誤差，這種誤差在中段飛行期間有可能增大。對於較短交戰距離來説，可能不需要第二個脈衝。第一個脈衝發動機熄火參數和第二個脈衝發動機點火參數由大氣層外中段導引算法計算產生。

TSRM的前面是一個改進的制導設備段（GS）。把制導設備段放在第三級上，可為動能彈頭提供更大的空間，主要作用包括：（1）用於遠程飛行的電力設備；（2）“宙斯盾”武器系統的通信；（3）遙測；（4）飛行終止電子設備；（5）GPS輔助的慣性導航（GAINS）。GAINS用於在攔截彈中段飛行期間提供較高的制導精度。GPS的信息與雷達的修正數據相結合，可以為攔截彈提供更高的狀態精度。為了確保高攔截成功率，SM-3導彈即使在沒有GPS數據的情況下也能作戰使用。

攔截彈的第四級是LEAP動能彈頭。動能彈頭本身能自動調節方向和高度，作大機動飛行。LEAP動能彈頭高度模塊化，結構緊湊，已經進行了空間試驗，用於防禦中遠程彈道導彈。為了提高動能彈頭的系統性能、部署能力及費效比等，LEAP必須控制在10kg量級，一般在6～18kg之間，帶有彈射機構的LEAP為16.7kg，長約0.56m，直徑0.254m。LEAP動能彈頭主要由導引頭、制導設備、固體軌姿控系統（SDACS）以及接口彈射器機構等四部分組成。SDACS包括一個主發動機和兩個脈衝發動機。在2003年6月進行的FM-5飛行試驗中，SDACS系統主發動機工作（即在持續燃燒模式下）使彈頭過熱，因此其它兩個脈衝（脈衝1和脈衝2）使轉向球出現裂紋。為此，2004年部署的首批5枚SM-3 Block 1型導彈只具備持續燃燒的功能，禁用了兩次脈衝燃燒。正在對SDACS系統進行改進。

SM-3 Block 1型導彈的動能彈頭採用單色長波紅外導引頭和固體SDACS推進系統，具備目標識別能力，在海基導彈防禦系統飛行試驗中成功地完成了攔截靶彈的任務。

SM-3 Block 1A型導彈與Block 1型導彈的區別不大，只是在Block 1型導彈的基礎上改進了某些部件。Block 1A型導彈仍然採用單色導引頭，其動能彈頭採用了全反射光學系統和先進的信號處理器。

雷神公司還在開發SM-3 Block 1B。該型導彈包括先進的雙色紅外導引頭、先進的信號處理器和一套節流軌姿控系統（TDACS）。TDACS能夠動態調整彈體的推力和運轉時間，而且很可能會提供更大的推力，使系統應對不同威脅的能力更強。

2. SM-3 Block 2型系列

美國還正在與日本共同研製SM-3 Block 2型和Block 2A型導彈（直徑約為0.53m），關機速度將比Block 1型系列導彈提高45%～60%，達到5～5.5km/s左右，具備攔截洲際彈道導彈的能力。美日的研製工作由美國的雷神公司和日本的三菱重工公司共同承擔。日本主要參與導引頭、軌姿控系統（DACS）、第二級火箭發動機和蚌殼式頭錐的研製。Block 2型的主要改進如下：

● 第二級將採用直徑53cm的火箭發動機；

● 動能彈頭採用雙色導引頭，對突防裝置具有更強的識別能力；

● 改進動能彈頭信號處理器，視場內識別的彈頭數量增加；

● DACS可能採用延長固體燃料燃燒時間或增加DACS長度的液體DACS或液體/固體燃料混合系統；

● 新型蚌殼式頭錐。

SM-3 Block 2A型導彈則是在Block 2型導彈的基礎上，採用了比Block 2型更大的動能彈頭，提高動能彈頭的軌控能力。MDA計劃2009年進行Block 2型攔截彈火箭發動機試驗，2013年左右部署Block 2型導彈，2015年部署Block 2A型導彈。

THAAD是一種高速動能殺傷攔截導彈，由固體火箭推進系統、KKV和連接這兩部分的級間段等部分組成。THAAD全彈長6.17m，最大彈徑0.37m，彈重660kg。

KKV主要由捕獲和跟蹤目標的中波紅外導引頭、制導電子設備（包括電子計算機和採用激光陀螺的慣性測量裝置）以及用於機動飛行的軌姿控推進系統組成。整個攔截器（包括保護罩）長2.325m，底部直徑為0.37m，重量為40～60kg。

KKV裝在一個雙錐體結構內：前錐體為不鏽鋼製造，其上有一個矩形的非冷卻藍寶石板，作為導引頭觀測目標的窗口；後錐體用複合材料製造。為了保護導引頭及其窗口，在前錐體的前面還有一個保護罩，由兩塊蚌殼式的保護板組成，在導引頭即將捕獲目標之前拋掉。在大氣層內飛行期間，保護罩遮蓋在頭錐上，以減小氣動阻力和保護導引頭窗口不受氣動加熱。

導引頭的設計包括一個全反射Korsch光學系統和凝視焦平面陣列。THAAD攔截彈在前7次飛行試驗中，其紅外導引頭採用硅化鉑焦平面陣列，陣列規模據信為256×256元。從第8次試驗起，THAAD攔截彈的紅外導引頭改為碲化銦焦平面陣列，很可能是多色的焦平面陣列。

KKV的變軌與姿控系統提供姿態、滾動和穩定控制，也提供最後攔截交戰的變軌能力。軌控和姿控系統包括單獨的氧化劑箱、推進劑箱、增壓劑箱和軌控與姿控發動機。軌控系統由4台發動機組成，姿控系統由6台較小的發動機組成（4台俯仰與滾動控制發動機，2台偏航控制發動機）。

用於制導的集成電子設備組件包括幾台簡化指令的計算機，用以改進直接碰撞殺傷制導；而採用環形激光陀螺的慣性測量裝置用於測量和穩定平台的運動，並作為尋的頭的測量基準。

THAAD攔截彈發射前由攔截彈裝運箱提供保護。該裝運箱用石墨環氧樹脂材料製造，以使重量最小。裝運箱採用氣密式密封，在攔截彈儲存或運輸時提供保護。裝運箱也起發射筒的作用，被緊固在有10枚攔截彈的托盤上。該攔截彈的托盤再安裝在發射車上。攔截彈直接從裝運箱中發射出去。

2007年1月，洛馬公司被授予生產THAAD的合同，包括48枚攔截彈、6輛發射車和2個火力控制與通信單元，2008年部署了首批24枚攔截彈。美國陸軍計劃最終將採購1400多枚THAAD攔截彈。

GBI、SM-3、THAAD和PAC-3攔截彈等都屬於動能攔截彈。但這些攔截彈都是單一用途的，只能用於各自的武器平台系統。這些攔截彈的助推器多數是由原有導彈武器系統的助推器改進而成，如SM-3和PAC-3的助推器都是分別由相同名稱的艦空導彈和地空導彈的助推器改進而成，GBI助推器的早期方案也是採用“民兵”3導彈的助推器，後來調整為採用商業運載火箭的發動機。這些助推器的加速性能都不高，存在着兩個主要缺陷：一是應用平台單一，二是性能受到限制。這些缺陷使攔截彈的效費比難以提高，在作戰中也缺乏靈活性。

因此，美國從2002年就已經開始考慮研製下一代可機動部署的多用途（用於助推段、上升段和中段攔截）動能攔截彈（KEI）。其目的是通過通用助推器與有效載荷的逐漸集成，利用可機動部署能力和戰場空間的交戰靈活性來逐步增強一體化導彈防禦體系的多層次攔截能力和健壯性，並且達到較高的效費比。KEI要達到的這些能力是一體化彈道導彈防禦系統（BMDS）採辦策略中非常重要的目標。

在KEI方案中將設計一種通用的集裝箱式的高加速度攔截彈。KEI由機動發射車、攔截彈和作戰管理系統組成。一個KEI連包括5輛機動發射車（每個發射車裝備2枚攔截導彈）和6輛運載作戰管理系統的高機動性多用途輪式車輛（每輛裝載4個S波段天線的卡車）。利用7架C-17運輸機可以在24h內將一個KEI連部署到世界任何地方，並且能在部署後3h內做好作戰準備。

KEI攔截彈長約11.8m，彈徑1.02m，重10.44t，體積約是SM-3的兩倍。KEI的殺傷器由自動導引系統、SM-3導彈的電子系統以及為GBI研製的軌姿控系統等組成。KEI可在60s的時間內加速到6km/s，速度約是SM-3 Block 1型導彈的兩倍。

按照最初的計劃，KEI旨在研製成一種新型可機動部署的助推段/上升段動能攔截彈，作為機載激光助推段攔截系統的後備方案。但是隨着該計劃的發展，MDA已將KEI助推器按通用助推器使用，與多用途殺傷飛行器和先進的具有目標識別能力的有效載荷（如子母攔截器MKV）進行集成，以增強GMD、“宙斯盾”、THAAD和PAC-3等的能力。

KEI計劃進展比較順利，成功地進行了第一級和第二級發動機靜態點火試驗，初步驗證了這兩級發動機應用於高加速度、高速度以及高機動能力導彈方案的可行性。今後，還將陸續進行一系列發動機靜態點火試驗，利用獲取的數據進一步優化設計，為2009年計劃進行的首次助推器飛行試驗做準備。

KEI既可陸基部署，也可海基部署。預計，陸基KEI將於2014～2015年左右具備初始作戰能力，海基KEI的部署時間尚未確定。

PAC-3型導彈由一級固體助推火箭、制導設備、雷達尋的頭、姿態控制與機動控制系統和殺傷增強器等組成。彈頭與助推火箭在飛行中不分離，始終保持一個整體。PAC-3導彈的殺傷增強器增大了攔截目標的有效直徑。該裝置位於助推火箭與制導設備段之間，長127mm，重11.1kg。殺傷增強器上有24塊0.214kg重的破片，分兩圈分佈在彈體周圍，形成以彈體為中心的兩個破片圓環。當殺傷增強器內的主裝藥爆炸時，這些破片以低徑向速度向外投放出去。

如何從“威脅雲團”（由彈頭、彈體和誘餌組成）中識別來襲彈頭是中段防禦系統面臨的重大挑戰之一。而GBI和SM-3導彈均是攜帶單個動能攔截器，在無法有效解決識別目標問題的情況下，攔截一枚具有複雜突防裝置的導彈就可能需要多枚攔截彈。為此，MDA於2002年公佈了微型殺傷攔截器（MKV）計劃，即利用微型化技術，使一枚攔截彈攜帶數十個攔截器，採用一種“多對多”的策略來有效彌補彈頭識別方面的不足，降低對來襲導彈發射前的情報需求和對導彈防禦系統識別能力的需求。

冷戰時期，美蘇1972年簽訂的《反導條約》嚴格限制研製子母殺傷器用於國家導彈防禦中。但由於該條約存在一些漏洞，美國實際上已經很早就開始相關技術的研究。20世紀90年代中期，美國海軍與當時的彈道導彈防禦局合作，研製一種用於戰區導彈防禦系統的微型攔截器――LEAP。2002年6月，美國退出《反導條約》後，MKV計劃正式對外公佈。2004年，洛馬公司獲得研製和驗證微型殺傷器的合同，為期8年，要求攔截器和母艙適用於現有的以及計劃發展的各種助推火箭。同時，微型攔截器計劃正式更名為子母攔截器（MKV）。

MKV體積小，重量輕，對運載工具的要求較低。新MKV概念是針對GMD目標識別問題提出來的，未來可用於GBI、SM-3和KEI上。MKV計劃引進了一種雙色導引頭和改進的液體軌姿控系統。MDA曾估計單個攔截器的重量在2～10kg之間。預計每個攔截器大約重5kg，直徑15～20cm，長25cm，大小如咖啡罐。具體攜帶的攔截器數量是保密的，如果使用GBI攜帶的話，攔截器應在10個以上。MDA和洛馬公司的官員一直暗示，一枚攔截彈將可以攜帶24個攔截器或者更多。但是如果估計是準確的（即每個攔截器為5kg），現有的或者計劃研製的助推火箭能夠攜帶的攔截器數量似乎將大大少於24個。而且，由於攔截器必須有足夠的質量，以便採用“碰撞殺傷”的方式進行攔截，因此不能無限制地減小攔截器的尺寸。

MKV的具體方案如下：攔截彈發射後，在導彈防禦系統探測器（包括海基X波段雷達以及天基跟蹤與監視系統）的引導下飛向目標。母艙與助推火箭分離後，利用自身配置的目標識別裝置探測目標，為攔截器分配打擊目標的任務，釋放攔截器。母艙上的遠程紅外探測器探測、跟蹤及識別彈頭和誘餌。每個攔截器都會從母艙接收到瞄準信息。對於每一個已識別的彈頭可能需要分配幾個攔截器進行攔截。每個攔截器也都在自身的光學探測器（工作在可見光和紅外波段）制導下，飛向“威脅雲團”，將所有可能的目標全部摧毀。即便與母艙分離，攔截器仍將能實時接收到母艙提供的目標修正信息。

MKV計劃的重點是研製所需的微型化硬件。攔截器微型化技術面臨嚴重的挑戰，如何消除攔截器封裝組件產生的熱量也是亟待解決的難題。

2005年完成了攔截器導引頭關鍵設計評審、導引頭軟件產品設計評審、成像穩定性試驗、導引頭軟件關鍵設計評審以及製造導引頭部件的電路板。2006年3月，洛馬公司完成了首個“探索者”導引頭的研製，在硬件迴路設施中進行試驗，模擬殺傷器的振動工作環境。在複雜的光電試驗中，驗證了導引頭和相關殺傷器電子設備的功能。2006年7月，洛馬公司又進行了MKV攔截器軌姿控推進裝置的初始試驗，驗證使用單組元液體推進劑的軌姿控系統用於MKV的可行性。試驗表明，實際飛行重量的推進裝置樣機以及閥門組合等達到了規定的性能和壽命指標。

MKV計劃在完成硬件迴路試驗、殺傷器（KV）懸浮試驗、KV飛行試驗後，最終將於太平洋試驗枱上對母艙（CV）和KV等進行BMDS系統級飛行試驗。預計2010～2011年間開始系統飛行試驗。

MKV的技術可能會帶動助推段攔截技術的發展，甚至帶動天基攔截技術的發展。但是，也有技術專家對MKV技術提出質疑。他們認為，MKV可能在對付誘餌方面比較有效，但對其它類型的突防措施卻不能提供什麼幫助，例如通過在彈頭表面塗上顏色等簡單的戰術就會影響光學探測器的探測性能等。